毫米波雷達(dá)在小尺度云霧系統(tǒng)監(jiān)測中的應(yīng)用

岑炬輝 唐世浩 胡利軍，3 涂小萍 姚日升，3

(1 寧波市氣象局，浙江 寧波 315012;2 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081;3 浙江省氣象網(wǎng)絡(luò)信息中心，杭州 310017)

引 言

在水汽充足、微風(fēng)及大氣穩(wěn)定的情況下，當(dāng)相對濕度達(dá)到100%時，空氣中的水汽便會凝結(jié)成細(xì)微水滴懸浮于空中，使近地面水平能見度下降，當(dāng)能見度低于1 km時，稱之為霧。霧天能見度惡化，妨礙海陸空交通運輸，往往會導(dǎo)致交通事故，造成生命和財產(chǎn)損失。海霧嚴(yán)重影響航海及飛行安全，對交通安全影響巨大，常引起災(zāi)難性事故。我國近海以平流冷卻霧最為常見，這種霧由暖濕空氣在較冷的海面上流動，冷卻凝結(jié)而成，但實際上霧的生成有多種原因。近年來沿海地區(qū)對海霧特征的研究[1-2]多是以自動氣象觀測站資料為基礎(chǔ)展開的，由于海上觀測站點稀少，使用傳統(tǒng)方式在海霧的監(jiān)測預(yù)報方面使用模式預(yù)報的準(zhǔn)確性很低[3]，面臨著巨大的困難，因此需要引入新的觀測技術(shù)。

毫米波雷達(dá)最早出現(xiàn)在1940s，早期功能有限，只能探測比較強(qiáng)的云[4]。1960s,美國空軍用于監(jiān)測機(jī)場附近的云，這一時期大量研究[5-6]顯示這些非多普勒雷達(dá)能夠有效探測云的邊界，降水和濕度層。1980s，美國國家海洋大氣局(NOAA)也在AN/TPQ-11系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出集多普勒和雙極化功能于一體的改進(jìn)型Ka波段毫米波側(cè)毫米波雷達(dá)[7-8]。Hobbs,et al[9]將固態(tài)電子器件應(yīng)用到了AN/TPQ-11系統(tǒng)中，并且增加了多普勒頻移探測；1990s初，國際氣候組織進(jìn)一步確定了云在氣候變化中的重大作用，而且毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢也逐漸在探測中出來，隨著在硬件系統(tǒng)中運用增加天線增益以及極化特性的技術(shù)，毫米波雷達(dá)正式成為遙感云的主要手段之一，發(fā)達(dá)國家開始對其重點發(fā)展[10-13]。

1979年，中國科學(xué)院大氣物理研究所和安徽井岡山機(jī)械廠合作研發(fā)了X波段(3 cm)和Ka波段(8.2 mm)雙波長雷達(dá)，并進(jìn)行了天氣雷達(dá)和毫米波雷達(dá)觀測云降水結(jié)構(gòu)的理論和觀測對比，結(jié)果表明：即使在當(dāng)時非常落后的器件條件下，毫米波雷達(dá)在探測近距離云細(xì)微結(jié)構(gòu)等方面也優(yōu)于天氣雷達(dá)[14]。近年來，我國氣象學(xué)家們越來越關(guān)注云在氣候變化作用中的重要性，重點發(fā)展云觀測技術(shù)以及毫米波氣象雷達(dá)。2007年研發(fā)出具有多普勒和極化功能的8.6 mm毫米波雷達(dá)，并且于2008年5—9月成功進(jìn)行了外場試驗。數(shù)據(jù)分析表明，該雷達(dá)能夠有效探測到層積云、高層云、臺風(fēng)外圍深對流云等典型云系[15]。2013年研制了一臺W波段雙極化云雷達(dá)，并進(jìn)行了云物理參數(shù)的初步反演[16]。

毫米波雷達(dá)在研究云的宏觀微觀特性方面已有較大進(jìn)展[17-25]，而運用毫米波雷達(dá)對小尺度天氣系統(tǒng)進(jìn)行研究屬于新的研究方向。本文運用毫米波雷達(dá)結(jié)合地面觀測站的方式，對2017年4月15日夜間至16日上午在寧波北部海域大范圍的大霧天氣過程進(jìn)行了分析，揭示了毫米波雷達(dá)在低能見度天氣中的應(yīng)用前景。

1 資料介紹

1.1 毫米波云霧雷達(dá)

毫米波云霧雷達(dá)布設(shè)在寧波臻德環(huán)?？萍加邢薰?29.1°N、122.12°E)，工作波段為Ka波段(33.44 GHz ±10 MHz)，以固定天頂指向的時間高度顯示(THI)，平掃顯示(PPI)和高掃顯示(RHI)這3種探測顯示方式對大氣進(jìn)行觀測。利用霧滴、云滴、雨滴等液態(tài)水滴對電磁波的散射作用，對15 km徑向范圍內(nèi)非降水云、霧和弱降水等進(jìn)行觀測，空間分辨率為30 m，可實時獲取探測范圍內(nèi)霧、云、雨的位置分布、強(qiáng)度、速度、譜寬等相關(guān)信息。

1.2 能見度觀測站

毫米波雷達(dá)探測區(qū)域共有7個能見度觀測站。其中寧波區(qū)域3個，分別為大貓島站(K2287)、涼帽山島站(K2293)和白鵝山礁站(K2295)，這3個站點都是能見度觀測的專用站點；舟山地區(qū)4個，分別為定海(58547)、金雞山社區(qū)(K9551)、南海學(xué)校站(K9623)和老鼠山嶼站(K9625)，這4個站點同時布設(shè)自動氣象觀測站，屬于聯(lián)合觀測站點。

1.3 自動氣象觀測站

毫米波雷達(dá)探測區(qū)域共有12個自動氣象觀測站(簡稱自動站)，其中9個站點有氣溫觀測，7個站點有相對濕度觀測。其中定海(58547)為國家一般站，按照《地面氣象觀測規(guī)范》的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；其他11個無人值守常規(guī)中尺度站，主要通過采集系統(tǒng)的閾值限制以及特殊情況下的人工判別檢驗等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。以上各類站點的地理位置和毫米波云霧雷達(dá)的掃描區(qū)域如圖1所示，降水資料詳見表1。

圖1 毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域及區(qū)域內(nèi)能見度站、自動站地理位置分布Fig.1 Geographical distribution of the visibility station and automaticstation in millimeter-wave radar scanning region

表1 毫米波雷達(dá)及附近區(qū)域站點降水匯總(按時間先后排列)Table 1 Precipitation summary of the millimeter wave radarscanning area and nearby (Chronological order)

2 數(shù)據(jù)分析

2017年4月15日夜間至16日上午，在寧波東北部海域出現(xiàn)了大范圍低能見度的天氣過程，局地短時出現(xiàn)了能見度低于200 m的濃霧。毫米波云霧雷達(dá)對整個過程進(jìn)行不間斷觀測并獲取了有效資料。將云霧系統(tǒng)中出現(xiàn)的3種主要結(jié)構(gòu)分別定義為液態(tài)水系統(tǒng)、游離液態(tài)水團(tuán)和局地短時液態(tài)水團(tuán)。液態(tài)水系統(tǒng)，指長寬范圍在5～20 km，中心回波強(qiáng)度在15 dBZ以上的結(jié)構(gòu)；游離液態(tài)水團(tuán)，指長度在5 km以上，寬度在3 km以下，中心回波強(qiáng)度在-5～15 dBZ之間的結(jié)構(gòu)；局地短時液態(tài)水團(tuán)指長寬都在3 km以下，中心回波強(qiáng)度在0 dBZ以下，并且存在時間不超過15 min的結(jié)構(gòu)。

2.1 毫米波雷達(dá)對大型液態(tài)水系統(tǒng)的監(jiān)測

對2017年4月15日20時—16日10時(北京時，下同)有4個大范圍強(qiáng)回波系統(tǒng)(即液態(tài)水系統(tǒng)，按過境時間分別以1、2、3、4進(jìn)行區(qū)分)。圖1中長箭矢和數(shù)字小標(biāo)給出了4個液態(tài)水系統(tǒng)中心位置經(jīng)過雷達(dá)掃描區(qū)域時的路徑，和系統(tǒng)的大概寬度和過境時間，這些液態(tài)水系統(tǒng)平均尺度在10 km左右，通過雷達(dá)掃描區(qū)域的時間約為50 min。

圖2為液態(tài)水系統(tǒng)1經(jīng)過毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域時的雷達(dá)掃描圖像。23時07分(圖2a)液態(tài)水系統(tǒng)的一部分已經(jīng)進(jìn)入毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域，此時能見度站大貓島、涼帽山島已經(jīng)被液態(tài)水系統(tǒng)所覆蓋。圖3給出了大貓島雷達(dá)反射率為-20 dBZ(23時08分，同一時間的雷達(dá)反射率只標(biāo)注一次掃描時間，下同)，涼帽山島雷達(dá)反射率為-10 dBZ，同時大貓島、涼帽山島和其附近的白鵝山礁能見度都在快速下降。23時17分(圖2b)，大貓島、涼帽山島和白鵝山礁的雷達(dá)反射率都在10 dBZ左右(23時17分)，涼帽山島和白鵝山礁的能見度降到了2 km以下，大貓島的能見度在3 km左右，并且還在下降中，在后部游離液態(tài)水團(tuán)覆蓋時(23時34分，-30 dBZ)降到了1 km以下。23時21分(圖2c)液態(tài)水系統(tǒng)1的覆蓋范圍擴(kuò)大，但是由于新擴(kuò)大區(qū)域內(nèi)沒有觀測站點，因而觀測結(jié)果與上一個時次相比變化不大。之后液態(tài)水系統(tǒng)繼續(xù)往東北偏東方向移動，在23時37分處于圖2g位置，此時液態(tài)水系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)離南部3個站點，東北部南海學(xué)校和金雞山社區(qū)則被液態(tài)水系統(tǒng)覆蓋(圖3實心圓)，出現(xiàn)了5 dBZ(23時43分)左右的雷達(dá)反射率，能見度快速下降，臨近的老鼠山嶼能見度也在快速下降。23時45分(圖2h)液態(tài)水系統(tǒng)1即將完全離開掃描區(qū)域，南海學(xué)校和金雞山社區(qū)的雷達(dá)反射率在-20 dBZ左右，這兩站和老鼠山嶼的能見度已降至500 m以下。由圖3可見，隨著液態(tài)水系統(tǒng)的影響結(jié)束，站點能見度會在較短時間內(nèi)恢復(fù)。綜上，除了離液態(tài)水系統(tǒng)較遠(yuǎn)的定海之外，液態(tài)水系統(tǒng)過境前后使得6個站點能見度都產(chǎn)生了深V字型變化。

圖2 2017年4月15日液態(tài)水系統(tǒng)1雷達(dá)圖：(a)23∶07—23∶13 PPI圖；(b)23∶13—23∶18 PPI圖；(c)23∶13—23∶24 PPI圖；(d)23∶24—23∶26 RHI圖；(e)23∶28—23∶29 RHI圖；(f)23∶32—23∶33 THI圖；(g)23∶33—23∶38 PPI圖；(h)23∶44—23∶50 PPI圖Fig.2 Millimeter wave radar scan map of system 1: (a)PPI at 23∶07 BST—23∶13 BST; (b)PPI 23∶13 BST—23∶18 BST；(c)PPI 23∶13 BST—23∶24 BST；(d)PPI 23∶24 BST—23∶26 BST；(e)PPI 23∶28 BST—23∶29 BST；(f)PPI 23∶32 BST—23∶33 BST；(g)PPI 23∶33 BST—23∶38 BST；(h)PPI 23∶44 BST—23∶50 BST

16日03時，液態(tài)水系統(tǒng)2是從西南方向進(jìn)入，隨后往偏東方向移動，依次經(jīng)過涼帽山島、大貓島、白鵝山礁和老鼠山嶼，未經(jīng)過北部的定海、南海學(xué)校和金雞山社區(qū)。由圖3可見，隨著液態(tài)水系統(tǒng)的過境，涼帽山島先是出現(xiàn)-15 dBZ(03時16分)雷達(dá)反射率，之后降為-20 dBZ(03時25分)，再降到-25 dBZ(03時27分)，之后上升到10 dBZ(03時36分)，再降到0 dBZ(03時39分)，能見度在-25 dBZ時已經(jīng)從3 000 m降到了500 m以下，之后略有回升，但是在其后在液態(tài)水系統(tǒng)中心區(qū)域的影響下(10、0 dBZ的強(qiáng)回波)再次迅速下降到了200 m以下；大貓島雷達(dá)反射率先是在03時16分出現(xiàn)-10 dBZ雷達(dá)反射率，之后從-20 dBZ(03時27分)上升到10 dBZ，再降到0 dBZ，能見度在雷達(dá)出現(xiàn)-10 dBZ反射率的時候降到了200 m以下，其后雖然有強(qiáng)回波，但是能見度卻處于快速上升中；白鵝山礁雷達(dá)反射率則是從-10 dBZ(03時27分)下降到-20 dBZ，再升到-15 dBZ，能見度在出現(xiàn)-10 dBZ 回波前已經(jīng)從3 000 m降到了500以下，之后在液態(tài)水系統(tǒng)的影響下下降到了200 m以下；雖然從液態(tài)水系統(tǒng)前后位置推測得出老鼠山嶼會被液態(tài)水系統(tǒng)覆蓋，但是此時雷達(dá)在用其他模式觀測，因而沒有雷達(dá)反射率值，其能見度從2 000 m下降到300 m左右然后回升。液態(tài)水系統(tǒng)2過境的4個站點能見度前后變化也呈現(xiàn)了快速下降之后再快速回升的深V型變化，更由于液態(tài)水系統(tǒng)2中心區(qū)域較小，覆蓋時間較長，使得部分站點能見度出現(xiàn)了降到了200 m以下的二次下降現(xiàn)象。

圖3 2017年4月15日20時至16日10時各站能見度和雷達(dá)反射率(其中曲線為能見度；○為雷達(dá)反射率，其中●為液態(tài)水系統(tǒng)覆蓋，◎為游離液態(tài)水團(tuán)，⊙為局地液態(tài)水團(tuán)；虛線、實線分別表示液態(tài)水系統(tǒng)進(jìn)入、離開；底部藍(lán)色柱狀為相應(yīng)區(qū)域內(nèi)降水)Fig.3 Time-variation of radar reflectivity and visibility at visibilitystations from 20∶00 BST 15 to 10∶00 BST 16 April 2017(Curve: visibility；circle: radar reflectivity； the dotted vertical lineand the solid vertical line represent the system entering and leaving；blue column at bottom for precipitation in corresponding area)

液態(tài)水系統(tǒng)3是此次過程中唯一的過境了全部7個站點的系統(tǒng)。隨其進(jìn)入并向東北方向移動，涼帽山島雷達(dá)反射率從-5 dBZ(05時27分)上升到0 dBZ(05時29分)，再降到-10 dBZ(05時43分)，能見度從1 000 m以上降到了500 m左右；白鵝山礁雷達(dá)反射率從-10 dBZ上升到15 dBZ，隨著回波的增強(qiáng)，能見度從2 000 m左右降到了1 000 m左右；大貓島雷達(dá)反射率從-10 dBZ上升到5 dBZ，再降到0 dBZ，能見度未見明顯變化。隨后液態(tài)水系統(tǒng)往東北方向移動，首先覆蓋老鼠山嶼，雷達(dá)反射率從-20 dBZ(05時43分)上升到0 dBZ(05時52分)，之后維持在0 dBZ(05時55分)，能見度從2 000 m以上降到了500 m以下；隨后覆蓋定海，雷達(dá)反射率從5 dBZ(05時52分)上升到10 dBZ(05時55分)，后降到-20 dBZ(05時55分)，能見度稍有下降；之后經(jīng)過南海學(xué)校，雷達(dá)反射率從-25 dBZ(05時55分)上升到-20 dBZ(06時04分)，之后又升到-10 dBZ(06時06分)，能見度略上升；金雞山社區(qū)是在液態(tài)水系統(tǒng)即將離開時才覆蓋到，只有一次觀測，雷達(dá)反射率為-10 dBZ(06時06分)，能見度略上升。在液態(tài)水系統(tǒng)3過境前后，涼帽山島、白鵝山礁和老鼠山嶼這3個站點的能見度有深V變化，大貓島無明顯變化。

液態(tài)水系統(tǒng)4(圖略)在系統(tǒng)3離開約半個小時進(jìn)入雷達(dá)掃描區(qū)，由于其路徑向東，因而只有大貓島、涼帽山島、白鵝山礁有液態(tài)水系統(tǒng)過境。液態(tài)水系統(tǒng)首先覆蓋涼帽山島，雷達(dá)反射率為-30 dBZ(06時57分)，隨后覆蓋3個站點(07時06分)，其中大貓島雷達(dá)反射率為-15 dBZ，涼帽山島雷達(dá)反射率為-25 dBZ，白鵝山礁雷達(dá)反射率為-10 dBZ。其間涼帽山島和白鵝山礁的能見度均降到了500 m以下，但是大貓島的只是稍微下降。在液態(tài)水系統(tǒng)4過境前后涼帽山島和白鵝山礁的能見度出現(xiàn)了深V型變化。

另外，在液態(tài)水系統(tǒng)1經(jīng)過毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域時，定海站在距離液態(tài)水團(tuán)大概3 000 m時，能見度從1 800 m左右降到了1 300 m左右。而在液態(tài)水系統(tǒng)2經(jīng)過毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域時，南海學(xué)校和金雞山社區(qū)在距離液態(tài)水系統(tǒng)5 000 m時，南海學(xué)校能見度從400 m左右降到了150 m左右，金雞山社區(qū)能見度從500 m左右降到了200 m以下。在液態(tài)水系統(tǒng)4經(jīng)過毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域時，距離液態(tài)水系統(tǒng)較近的老鼠山嶼在距離其4 000 m左右距離時，能見度從2 000 m降到了500 m?？梢姡私?jīng)過所有站點的液態(tài)水系統(tǒng)3經(jīng)過時難以分辨，其余都出現(xiàn)了在液態(tài)水系統(tǒng)靠近(3～5 000 m)而無需覆蓋就出現(xiàn)能見度下降的情況。

從整個過程來看，液態(tài)水系統(tǒng)過境會使大部分站點的能見度呈現(xiàn)深V型變化。在以上4個液態(tài)水系統(tǒng)中，除去受其他因素的站點(以降水為主)，毫米波雷達(dá)回波的出現(xiàn)預(yù)示著能見度開始降低，反射率最大值與能見度谷值相對應(yīng)。因此下一步工作將應(yīng)用雷達(dá)的觀測結(jié)果來估測整個區(qū)域的能見度分布狀況，并根據(jù)液態(tài)水系統(tǒng)的移動變化來對能見度變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。在液態(tài)水系統(tǒng)靠近時站點就會受到影響，有時在液態(tài)水系統(tǒng)覆蓋前就會對能見度產(chǎn)生很大影響。通過對THI圖(圖2f)的分析可以得到，這些液態(tài)水系統(tǒng)整體都是向下的垂直速度，結(jié)合RHI圖(圖2d、e)所獲取的液態(tài)水系統(tǒng)垂直剖面，可以得到，整個液態(tài)水系統(tǒng)實際上是從高云中降落而來，這次低能見度天氣實際上是來自于高云的“降霧”。

2.2 毫米波雷達(dá)對液態(tài)水系統(tǒng)外圍游離液態(tài)水團(tuán)的監(jiān)測

在此次過程中，液態(tài)水系統(tǒng)周圍常常伴隨著一個或幾個尺度在千米左右游離液態(tài)水團(tuán)，這些液態(tài)水團(tuán)的出現(xiàn)對能見度也會產(chǎn)生不小影響。

在液態(tài)水系統(tǒng)1移到東北部的時候，其后部的游離液態(tài)水團(tuán)覆蓋了大貓島(-30 dBZ，23時34分)，使大貓島能見度迅速降到了1 000 m以下，附近的涼帽山島在同一時間也出現(xiàn)了能見度的下降。

在16日02時前后，雷達(dá)觀測到液態(tài)水系統(tǒng)2外圍的帶狀結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入雷達(dá)掃描區(qū)域(圖4a、b)。從圖3上可以看到，這個帶狀結(jié)構(gòu)的過境，大貓島和涼帽山島都有弱回波(3次，都在-10 dBZ以下)出現(xiàn)。大貓島的能見度從1 000 m以上波動下降至200 m左右，之后在液態(tài)水系統(tǒng)2作用下降到200 m以下；涼帽山島從5 000 m以上降到了1 000 m以下，之后回升，到液態(tài)水系統(tǒng)而影響時再次下降。在這些帶狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時，可以看到白鵝山礁、老鼠山嶼、南海學(xué)校和定海雖然未被其所覆蓋，但是能見度都出現(xiàn)了顯著的起伏變化。

圖4 游離液態(tài)水團(tuán)雷達(dá)掃描(a、b)和局地短時液態(tài)水團(tuán)雷達(dá)掃描(c、d)：(a)02時43分;(b)02時49分;(c)06時31分;(d)06時36分Fig.4 (a,b)Radar image of free liquid water masses and (c,d) radar image of local short-time liquid water massesat: (a)02∶43 BST; (b)02∶49 BST; (c)06∶31 BST; (d)06∶36 BST

在05時左右，液態(tài)水系統(tǒng)3前端游離的小液態(tài)水團(tuán)開始出現(xiàn)。涼帽山島在04時52分(-30 dBZ)和05時06分(-20 dBZ)兩次被覆蓋，大貓島在05時07分被覆蓋(-15 dBZ)，定海在05時09分開始的連續(xù)四次掃描中都被覆蓋(-15 dBZ)，南海學(xué)校在05時22分開始的連續(xù)兩次掃描中也被覆蓋(-20 dBZ)。隨著其移動涼帽山島和南海學(xué)校出現(xiàn)了能見度下降，但是定海和大貓島未出現(xiàn)能見度下降。而在液態(tài)水系統(tǒng)到了北部之后，其后部的游離液態(tài)水團(tuán)在06時04分又覆蓋了大貓島(-25 dBZ)和涼帽山島(-30 dBZ)，但是并未造成能見度的明顯下降。

在液態(tài)水系統(tǒng)4即將離開雷達(dá)掃描區(qū)域時，其后部的游離液態(tài)水團(tuán)在07時24分也覆蓋了南海學(xué)校(-10 dBZ)和金雞山社區(qū)(-15 dBZ)，但是也未造成能見度的下降。

綜上，通過毫米波雷達(dá)對游離液態(tài)水團(tuán)的觀測，除去受其他因素(以降水為主)影響的站點，得出其對能見度也有很強(qiáng)的影響，是造成無液態(tài)水系統(tǒng)過境時能見度急劇變化的主要原因之一。

2.3 對局地短時液態(tài)水團(tuán)的監(jiān)測

除了液態(tài)水系統(tǒng)和游離液態(tài)水團(tuán)之外，偶爾在某些區(qū)域會突然出現(xiàn)弱回波，又很快消失(圖4c、d)。在這次過程中大貓島總計出現(xiàn)了3次，分別為00時11分(-25 dBZ)、00時48分(-25 dBZ)和04時30分(-25 dBZ)。涼帽山島出現(xiàn)了2次，分別為04時30分(-20 dBZ)和06時32分(-30 dBZ)。其中大貓島第一次和第三次，涼帽山島第二次伴隨著能見度的降低；大貓島第二次，涼帽山島第一次伴隨著能見到度的上升。局地短時液態(tài)水團(tuán)的形成與局地其他因素關(guān)系緊密，不能單以雷達(dá)反射率來進(jìn)行分析。

另外白鵝山礁和老鼠山嶼整個過程中間或探測到弱回波，表明這兩個站點在不斷有液態(tài)水生成，局地水汽條件極好。

2.4 氣象要素變化

16日00時前后，7個站都出現(xiàn)了能見度的快速下降，大貓島和老鼠山嶼降到了500 m以下，定海、金雞山社區(qū)降到了1 000 m以下，涼帽山島、白鵝山礁降到了1 000 m左右，南海學(xué)校不如其他站點明顯，但也有這一變化。此時并無系統(tǒng)性雷達(dá)回波，只有大貓島和老鼠山嶼分別出現(xiàn)了-25 dBZ(00時11分)和-30 dBZ(00時20分)的弱回波，這應(yīng)該是兩個站點能見度降得比其他站點低的原因。此時，圖5表明各個站點的相對濕度都已飽和，而溫度還在持續(xù)下降，因此在近地面產(chǎn)生了水汽凝結(jié)，造成了能見度的快速下降。通過對自動站降水資料(表1、圖3)表明，首次出現(xiàn)降水就在這個時間附近，其中大榭南和大榭北降水量均為0.1 mm，萬向東側(cè)的小干島(K9614)在23時44分和23時46分分別降水0.1 mm。隨后能見度隨之又快速上升，其中白鵝山礁、涼帽山島、老鼠山嶼、定海等站上升到了5 000 m以上，其余站點也都會升到了2 000 m以上。

圖5 2017年4月15日20時至4月16日10時毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域內(nèi)各自動站溫度、相對濕度隨時間的變化Fig.5 Time-variation of temperature and relative humidity of each automatic station in the millimeter waveradar scanning area during 20∶00 BST on 15 to 10∶00 BST on 16, April 2017

液態(tài)水系統(tǒng)2過境之后(04時10分)有6個站能見度又出現(xiàn)了下，說明在前面分析的南部3個站點液態(tài)水系統(tǒng)2持續(xù)影響之外，還有其他影響范圍更廣的影響因素。此外在這個時間附近各個站點的風(fēng)速都出現(xiàn)了明顯的減小，這一現(xiàn)象對這里的能見度下降應(yīng)該起了相當(dāng)重要的作用。隨后除了白鵝山礁之外的其他站點都快速恢復(fù)，而白鵝山礁的能見度長時間維持在500 m以下，應(yīng)該是和局地的因素有關(guān)。

由表1可見，在液態(tài)水系統(tǒng)3經(jīng)過大榭二橋時有降水產(chǎn)生(05時08分，0.1 mm)；在液態(tài)水系統(tǒng)經(jīng)過定海時，也有降水產(chǎn)生(06時00分，0.1 mm)。因此推斷，大榭二橋降水導(dǎo)致了液態(tài)水系統(tǒng)近地面液態(tài)水的大量減少，從而使后面液態(tài)水系統(tǒng)經(jīng)過大貓島站點時能見度無明顯變化；定海降水導(dǎo)致定海、南海學(xué)校和金雞山社區(qū)附近區(qū)域液態(tài)水系統(tǒng)近地面液態(tài)水的大量減少，使得這3個站點在液態(tài)水系統(tǒng)過境時能見度反而有所上升。

在液態(tài)水系統(tǒng)4過境時，大榭二橋出現(xiàn)了兩次連續(xù)降水。這樣大量的液態(tài)水使得白鵝山礁能見度降低到200 m左右，由于白鵝山礁本身的水汽條件，200 m以下能見度天氣得以長時間維持(涼帽山島的能見度下降到500 m以下之后又很快上升了，這樣的變化正是液態(tài)水系統(tǒng)過境時正常的變化狀態(tài))。定海站附近的白泉公園在06時46分降水0.1 mm，北部4個站點能見度從那時開始上升，也與從那時開始的相對濕度下降，溫度上升(圖5)變化趨勢一致。

大貓島在液態(tài)水系統(tǒng)2中心經(jīng)過時能見度處于快速上升狀態(tài)(圖3)，并在其后一段時間持續(xù)上升，一直到了5 000 m以上，與其他站點的變化完全相反。且氣象要素資料不全，為異常值，不予考慮。

綜上，低能見度天氣除了受液態(tài)水系統(tǒng)影響之外，還受溫度、相對濕度、風(fēng)速、降水等氣象要素的影響。表2對整個時段中，造成能見度變化的各項因素產(chǎn)生作用的次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，總計與毫米波雷達(dá)反射率相關(guān)的為30次，占比39.5%，受氣象要素影響的為33次，占比43.4%，受其他未知因素影響的為13次，占比17.1%。毫米波雷達(dá)反射率相關(guān)的能見度變化次數(shù)接近40%，大致與氣象要素影響導(dǎo)致的能見度變化次數(shù)相當(dāng)，將未確定因素導(dǎo)致的能見度變化次數(shù)降低到了20%以下。與布設(shè)毫米波雷達(dá)之前相比，對此次低能見度系統(tǒng)的觀測效果提高了接近一倍。

表2 造成各能見度站點能見度變化的因素統(tǒng)計Table 2 Statistics of the factors that cause the change of visibility at each visibility station

3 結(jié)論

運用毫米波雷達(dá)結(jié)合地面觀測站的方式，對2017年4月15日夜間至16日上午在寧波北部海域大范圍的大霧天氣過程進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

(1) 毫米波雷達(dá)可以實現(xiàn)對10 km左右的液態(tài)水系統(tǒng)、千米左右游離液態(tài)水團(tuán)和更小尺度的局地短時液態(tài)水團(tuán)等的有效監(jiān)測。

(2) 液態(tài)水系統(tǒng)過境使站點的能見度呈現(xiàn)深V型變化，未被液態(tài)水系統(tǒng)過境的站點，在靠近液態(tài)水系統(tǒng)時也會出現(xiàn)能見度變化。

(3) 游離液態(tài)水團(tuán)對能見度也有很強(qiáng)的影響，是造成無液態(tài)水系統(tǒng)過境時能見度急劇變化的主要原因之一。

(4) 局地短時液態(tài)水團(tuán)的形成與局地其他因素關(guān)系緊密，不能單以雷達(dá)反射率來進(jìn)行分析。

(5) 能見度的變化主要受毫米波雷達(dá)反射率相關(guān)因素和氣象要素兩者影響，毫米波雷達(dá)的應(yīng)用將未確定因素導(dǎo)致的能見度變化次數(shù)降低到了20%以下。